Laser mit langer Rayleigh-Länge und kleinem Fokus messen

Mit neuen Linsen wird BeamSquared® zum Allroundtalent
 
Die Entwicklung von Technologien zur Remote-Materialbearbeitung erfordert eine sehr hohe Prozessgenauigkeit. Eine echte Herausforderungen bei Lasersystemen, die einerseits einen sehr kleinen Fokusdurchmesser, gleichzeitig aber eine lange Brennweite aufweisen. Um diese Eigenschaften zu vereinen, kombinieren die Lasersysteme größere Strahlen mit einem niedrigen M2 mit Linsen längerer Brennweite. Damit lassen sich die Anforderungen erfüllen und Rayleigh-Längen bis zu 20 Metern erzeugen. Mittlerweile sind schon einige Faser- und Festkörperlaser auf dem Markt, die die lange Brennweite mit kleinem Fokusdurchmesser kombinieren. Diese Lasersysteme erfordern aber auch einen neuen Ansatz in Hinblick auf die Strahlanalyse. Mit neuen Linsen wird das Ophir BeamSquared® zu einem echten Allroundtalent, wie dieser Beitrag erläutert.

Die Technologie
Das BeamSquared (BSQ) System misst die Breite des Laserstrahls nach der Fokussierlinse an mehreren Positionen entlang der Ausbreitungsachse des Lichts (Z-Achse). Daraus werden M2, Größe und Position der Strahltaille vor und nach der Fokussierlinse ermittelt. Das Standard-BSQ System besteht aus einer SP920 Strahlprofilkamera mit einem Pixelabstand von 4,4μm und Linsen mit Fokuslängen von 400 und 500mm.

BeamSquared® - Measurement Long Rayleigh Range Lasers<br />
with Small Focal Spot

Um den ISO11146 Standard zu Laserstrahlprofilmessung zu erfüllen, sollte der Durchmesser der Strahltaille (W02) nach der Fokussierlinse mindestens 20 Pixel innerhalb der Sensorfläche mit 88 μm abdecken. Weist ein Laserstrahl eine Remote-Position und zudem einen kleine Strahltaille auf, wird er in Kombination mit klassischen 400-500mm Linsen einen zu kleinen Bereich des Sensor abdecken. Ein Faserlaser mit einer sehr langen Rayleigh-Länge lässt sich somit mit einem herkömmlichen BSQ nicht messen. Um die genauere Messungen der Strahlausbreitung bei Lasern mit langer Rayleigh-Länge zu ermöglichen, müssen zunächst Strahltaillen mit einem größeren Durchmesser erzielt werden. Dies gelingt mit Linsen mit einer höheren Brennweite.

 

Brennweite Beschreibung PN:
750mm UV AR 266nm-440nm SP90554
1000mm UV AR 266nm-440nm SP90558
750mm XNIR AR 1000nm-1550nm SP90557
750mm NIR AR 650nm-1000nm SP90556
750mm VIS AR 430nm-700nm SP90555
1000mm VIS AR 430nm-700nm SP90559

 

Ermittlung der Parameter
Die neuen Linsen wurden mit Unterstützung eines Software-Tool ausgewählt, das verschiedene Lasersysteme und deren Parameter M2, BPP, Strahltaille im Fokus, Wellenlänge und Rayleigh-Länge simuliert. Diese Simulation ergab, dass sich Brennweiten von 750 und 1000mm am besten für die neuen Remote-Lasersysteme eignen. Vergleicht man die simulierten mit den echten Messungen, zeigt sich die genaue Vorhersehbarkeit der Kaustikparameter.

 

Vor der Linse M² X Angepasste Divergenz X (mrad) Breite der Strahltaille X (μm) Position der Strahltaille X (mm) Rayleigh-Länge X (mm)
Simulation 1,028 0,203 4080 6100 20084
BSQ Echte Messungen 1,026 0,203 4077 6103 20091

Kalibration der Linse
Sämtliche BeamSquared Linsen werden gewissenhaft geprüft, um die präzise Funktion des Systems zu gewährleisten. Die Linsen mit höherer Brennweite erfordern nochmal zusätzliche Prüfmechanismen, da schon kleinste Abweichungen zu signifikanten Messfehlern führen können. MKS führte dazu neue Kalibrationstechniken für die Ophir BeamSquared Linsen ein. Sie gewährleisten präzise und wiederholbare Messungen von Strahlausbreitung und Strahlkaustik mit einer maximalen relativen Abweichung des Rayleigh-Bereichs und der Strahltaillenposition von 10% im Vergleich zu mehr als 30% bei unkalibrierten Linsen.

Beispielhafte Messungen mit Linsen langer Brennweite
Misst man die Kaustik eines 633nm-Lasers mit einer 20-Meter-Rayleigh-Länge und einem M2 von 1,03 mit einem Ophir BeamSquared mit einer kalibrierten 750-mm-Linse erhält man eine Taillenbreite von 147 μm sowie eine Rayleigh-Länge von 26 mm. BeamSquared bietet einen Messbereich von über 800 mm, so dass sich ISO11146-konforme Messungen von weit über 4 Rayleigh-Längen einfach durchführen lassen.

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Anwender von BeamSquared haben einige Tests durchgeführt, bei denen verschiedene Linsen für einen langen Rayleigh-Bereich von ungefähr 20 Metern und einem kleinen Fokus bei echten Lasersystemen getestet wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass selbst bei Verwendung einer 500mm Linse nur ein Strahldurchmesser von 10-13 Pixeln erzielt wird. Erst durch die Nutzung einer Linse mit längerer Brennweite bedeckt der Strahltaillendurchmesser 20 Pixel, der BSQ Strahlweg deckt mehr als die zweifache Rayleigh-Länge ab.

 

Laserquelle (Vor Linse) Linsentyp (FL) mm Position Strahltaille (mm) Rayleigh-Länge (mm) Durchmesser Strahltaille nach Linse (μm) Pixels auf CCD
Laser 343nm, M²=1,0
Rayleigh-Länge = 28M
Stahldurchmesser = 3,5 mm
500 480 8,25 60 13
750 720 18,5 90 20
Laser 355nm, M²=1,0
Rayleigh-Länge = 23M
Stahldurchmesser = 5,0mm
500 483 4.38 40 10
1000 964 17,5 87,4 20

 

Auswahl-Assistent BeamSquared Linsen
Um die Messung der Strahlausbreitung mit Ophir BeamSquared zu optimieren, entwickelte MKS einen Auswahl-Assistenten für Linsen. Dieser ergänzt den Auswahl-Assistenten für Strahlprofil-Messgeräte. Liegt die Leistungsdichte im Fokus über der Schwelle zur Thermischen Linse der BSQ-Optiken, würde dies die Deformation der Strahlkaustik bewirken. Der Auswahl-Assistent empfiehlt dementsprechend einen geeigneten Abschwächer für das System.

Beispiel 1:
Der Anwender wählt die Option "M Squared" und gibt die entsprechenden Laserparameter ein. Die Entfernung von der Strahltaille des Lasers von der Linse kann je nach Aufbau des Anwenders angepasst werden.

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Der Auswahl-Assistent zeigt zwei Optionen für Linsen und empfiehlt zudem die Nutzung eines LBS-300s-NIR Abschwächers, um die Leistungsdichte für das BeamSquared zu reduzieren.

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Die erste Option empfiehlt eine Linse mit 600mm, die zweite Option ist eine 750mm Linse, die bessere Ergebnisse verspricht. Der Rayleigh Q-Faktor und die Zahl der Pixel in der Strahltaille geben die zu erwartende Messgenauigkeit an. Je höher der Q-Faktor liegt und je mehr Pixel die Strahltaille auf der Sensorfläche abdeckt, desto genauere Messergebnisse sind zu erwarten.

Beispiel 2:

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In diesem Fall ist keine zusätzliche Abschwächung erforderlich, und der M-Squared Finder schlägt nur zwei Optionen für Linsen vor, um die Messungen zu optimieren.

Fazit
Die neuen Linsen mit einer Brennweite von 750 und 1000mm für das Ophir BeamSquared System eignen sich für UV, VIS und NIR-Messungen. Strahlkaustik und Strahlausbreitung lassen sich damit bei Lasern mit einem kleinen Fokus und langer Rayleigh-Länge deutlich präziser analysieren. Durch die zusätzliche Kalibration der Linsen verringert Ophir den relativen Messfehler bei der Ermittlung der Position der Strahltaille und der Rayleigh-Länge auf 10%. Bei Parametern wie M², BPP und Taillengröße sogar auf weniger als 5%. Die neuen Linsen können jederzeit separat erworben werden.

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